宇航级射频稳相同轴电缆轻量化方案.pdf

2023年第3期No.32023经验交流宇航级射频稳相同轴电缆轻量化方案电线电缆Wire&CableD0I:10.16105/j.dxdl.1672-6901.2023030122023年6 月Jun.,2023皇甫风光（嘉兴翼波电子有限公司，嘉兴3140 0 0）摘要：宇航产品体现了国家的综合科技水平，随着太空资源竞争的日益激烈，各国均在发射卫星、空间站等宇航器，这些设备使用的普通射频稳相同轴电缆的质量较大，本工作对中心导体、绝缘层导体、屏蔽层和护套层同时采用轻量化设计的方法，来降低宇航级射频稳相同轴电缆（以下简称电缆）的单位长度质量，进而节约航天器的发射成本。关键词：射频稳相同轴电缆；单位长度质量；宇航器；舱内中图分类号：TM248.3Lightweight Scheme for Space-Class RF Phase Stabilized Coaxial Cables(JiaxingFocusimpleElectronics Co.,Ltd.,Jiaxing 314000,China)Abstract:Aerospace products reflect the comprehensive scientific and technological level of the country.With theincreasingly fierce space competition,countries are launching satellites,space stations and other space vehicles.The common RF stable phase coaxial cables used by these equipment are of relatively heavy quality.The method ofreducing the weight of the inner conductor,outer conductor,shielding layer and sheath layer at the same time wasadopted to reduce the unit length quality of the space-class RF phase stabilized coaxial cables(hereinafter referredto as the cable),in order to save the launch cost of the spacecraft.Key words:RF phase stabilized coaxial cables;unit length mass;spacecraft;cabin0引言在航空航天产品中，各种电缆如同“血管”一样向航天器的各个部位传输数据或者电能。随着航天器一起发射升空的电缆，需要在高温、低温、低气压、高辐照等苛刻的空间环境下正常工作，这对电缆自身的可靠性提出了更为严格的要求。另外，电缆自身的质量对航天器的发射成本有着举足轻重的影响，因此，对电缆轻量化也提出了新的要求。美国早期的德尔他和大力神4号运载火箭的发射费用每磅大约为450 0 美元，而侦察兵运载火箭的发射费用每磅要达到18 0 0 0 美元1。随着火箭技术的不断进步，私人航空运载公司逐渐出现，比如美国SpaceX的火箭发射成本每千克约为2 0 0 0 美元。抛开可靠性而言，虽然发射成本有所降低，但一枚二级火箭本体中电缆的质量在2 0 0 kg以上，电缆文献标志码：BHUANGFU Fengguang体中的电缆质量，因此电缆轻量化势在必行。本工作以低损耗型射频稳相同轴电缆的基本结构为基础,分别对中心导体、绝缘层、外导体、外屏蔽层、护套层的材料进行轻量化分析，从而综合降低射频稳相同轴电缆成品的单位长度质量，节约航天器的发射成本。1射频稳相同轴电缆的基本结构目前，市场上使用最多的电缆为CXN3506、CXN3507戈尔电缆，其结构示意图见图1，典型结构参数见表1。4文章编号：16 7 2-6 90 1（2 0 2 3)0 3-0 0 55-0 423的发射费用至少需要40 万美元，还不包含待发射星51一护套；2 一编织屏蔽层；3一外导体；收稿日期：2 0 2 2-0 6-314一绝缘层；5一中心导体作者简介：皇甫风光（198 5一），男，助理工程师。图1CXN3506、C XN350 7 结构示意图E-mail:552023年第3期No.32023型号中心导体规格材质直径/mmCXN3506镀银铜丝0.5CXN3507镀银铜丝0.9为保证射频信号系统的统一性，国内电缆产品大多是在戈尔电缆结构的基础上进行改进优化，但电缆的单位长度质量均没有大幅度的降低。2射频稳相同轴电缆的轻量化方案2.1中心导体射频稳相同轴电缆的工作频率较高，戈尔电缆CXN3506、C XN350 7 分别在40，18 GHz频率下使用。由于趋肤效应的作用，信号只在中心导体的外表面传输，因此，表面采用导电性较好的金属即可达到低损耗的要求。目前，已知金属银的导电性最佳，即采用铜表面镀银，镀银材料在5,10,18,40 GHz中心导体材质镀银铜镀银铜包钢镀银铜包铝镀银铜包碳纤维镀银凯夫拉纤维表2 中，铜包钢采用30 A或30 H材质，铜包铝采用10 A或10 H材质，对于常规使用的两种导体，镀银铜包铝比镀银铜包钢的轻量化效果更好，由于铝、铜、银的线膨胀系数分别为2.410-5，1.6 42 10-,1.8910-5-1,因此，镀银铜包铝的缺点是铝的线膨胀系数高于铜、银，受热胀冷缩影响较大，不宜在温差较大的环境下使用，但可满足航天器舱内使用要求；碳纤维复合架在裸导线中使用率较高，但若作为中心导体使用，碳纤维外表面须包裹铜层，类似于铜包铝的做法，铜层不仅可以固化碳纤维结构，还可以提高碳纤维与镀银层间的结合力，但此类导体的工艺及成本均较高，目前，样品大多以短段状态供货；镀银凯夫拉是在凯夫拉纤维表面覆银的一种工艺，现已实现量产，主要呈束状，但作为中心导体，其结构不稳定，不能保证导体圆整度，对驻波影响很大,束绞之后会有所改善，但束绞导体的衰减高于单根导体。综上，本工作中的射频稳相同轴电缆采用镀银铜包铝材质的中心导体。56电线电缆Wire&Cable表1戈尔电缆典型结构参数介质外导体材质材质膨体聚四氟乙烯镀银铜带1.20.05膨体聚四氟乙烯镀银铜带2.50.05等不同频率下的趋肤深度分别为0.93,0.6 6 0.49，0.33m。为提高可靠性，本工作采用的镀银厚度为2 m。目前，中心导体多采用镀银铜，其中银层密度为10.5g.cm,铜材密度为8.8 9gcm。为减轻中心导体的单位长度质量，其内芯须采用低密度的材质，且不能影响电缆的整体结构性能。市场上可选择的材料比较多，常用的大多为镀银铜包钢、镀银铜包铝；另外也出现了一些新型材料，比如镀银铜包碳纤维、镀银凯夫拉纤维，在质量减轻方面这两种纤维型复合材料最为突出，不同中心导体的单位长度质量等参数对比情况见表2。表2 不同中心导体的密度、单位长度质量和质量减轻比例的对比表密度/（gcm)0.5 mm$0.9 mm8.928.908.198.173.433.382.892.831.611.522023年6 月Jun.,2023编织屏蔽护套直径/单位质量/规格材质镀银铜丝0.0 7 8镀银铜丝0.10 1单位长度质量/（gm-）0.5 mm 0.9 mm1.7515.6621.6085.1980.6732.1500.5671.8000.3160.9672.2绝缘层电缆的绝缘介质会引起一定的损耗，尤其是在高频条件下，同时也要兼顾材料的耐高温性能，因此,聚四氟乙烯（PTFE）是最佳选择，同时在已知的材料中,PTFE具有较低的介电常数以及介质损耗角正切值。由于PTFE无法熔融挤出，其作为电缆介质，一般采用推挤绝缘或做成扁带状绕包绝缘。随着技术的发展,PTFE无论是推挤或者绕包,均有不同密度的结构，可进一步降低介质损耗,PTFE介质的常用结构形式及典型数据见表3。表3聚四氟乙烯介质的常用结构形式及典型数据相对介电传输速率/工艺技术结构描述实芯推挤微孔微孔车削膜（熟料带）2.13 2.29绕包微孔带（生料带）1.50 1.70微孔带（生料带）0.500.80直径/mm2.03.3 0.5 mm08.1861.5567.6081.95密度/(gcm)2.201.600.70mm2.23.6质量比/%0.9 mm08.2062.0268.2082.92常数%2.04701.73761.49821.98711.73761.4982(gm)16332023年第3期No.32023与CXN3506、CXN350 7 一样，本工作采用密度为0.7 gcm3的聚四氟乙烯微孔带绕包介质，这类结构的电缆性能优异，柔软性好，但生产效率低，结构一致性稍差，这也是常规绕包介质的缺陷，绕包必然会产生缝隙或者叠边凹凸不平，但无缝绕包带有望改善这一缺陷。另一种密度为0.7 gcm的推挤拉伸型微孔介质生产效率高、一致性高、损耗低、成本低，而且具有更低的介电常数,是市场主力开发的一种工艺，但设备投入成本、技术要求更高。此外全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）发泡氟塑料2 、藕芯纵孔改性聚乙烯材料 3 可作为低密度的绝缘介质；其中发泡氟塑料制成的电缆的温度相位性能极其优异,在-50 8 5的温度条件下，温度相类型CXN3506镀银铜带重叠绕包镀银圆线缠绕镀银铜包铝合金带重叠绕包镀银铝合金带重叠绕包表4中，镀银圆线结构在缠绕弯曲时稳定性较差，但静态使用时可满足要求；铝合金直接镀银的原材料加工难度较高，因为铝表面易形成氧化铝层，不利于电镀，一般会采用中间过渡层电镀。因此，外导体可采用镀银铜包铝合金带或者镀银圆线进行轻量化设计。2.4外屏蔽外屏蔽主要起屏蔽外部信号干扰，防止内部信密度/(gcm3)材质CXN3506镀银铜8.931镀银铜包钢8.210镀银铜包铝3.503镀银凯夫拉1.671镀银聚酰亚胺1.642镀银碳纤维2.022表5中，镀银纤维类屏蔽层的单位长度质量明显比其他金属材质小很多，而且镀银纤维层编织覆盖率比金属层高，转移阻抗低，屏蔽效能较纯金属层高40%以上，若提高镀银纤维的编织密度，其屏蔽效能会更高。2.5护套护套是电缆的最外层防护，在轻量化的同时，也电线电缆Wire&Cable位不大于3.0 10-4，但设备投入极高，藕芯纵孔成型较难且受弯曲影响较大。2.3外导体CXN3506、C XN350 7 采用的是镀银铜带绕包外导体，这也是典型的低损耗型电缆结构，根据同轴电缆传输理论，外部的干扰信号和内部的有效信号均在外导体上传输，由于趋肤效应的作用，干扰信号在外导体外侧传输，有效信号在外导体内侧传输。因此，本工作可采用密度较小的材质或结构的外导体,并在其外表面镀银；轻型外导体结构及典型数据见表4，表4中同一类型电缆采用相同的介质尺寸、外导体尺寸、镀银厚度、重叠率进行计算。表4轻型外导体结构及典型数据结构方式密度/(gcm-3)CXN3507CXN3506重叠绕包9.024缠绕9.016重叠绕包4.621重叠绕包3.351表5常用编织屏蔽材料的典型特性单位长度质量/（gm）CXN3507CXN35068.9224.1978.1963.8583.4611.6461.6190.7851.5890.7721.9710.950要有一定的耐辐照性，不同护套材料的典型特性见表6。表6 中,TPU、PE均具有低密度、耐辐照性,但两者的使用温度较低，无法满足宇航级的热真空释气要求。热真空试验温度一般为12 5 5，这是截至目前宇航器的最大预期温度，也是检验高分子聚合物是否发生高温分解现象的重要条件。57.2023年6 月Jun.,2023单位长度质量/（gm）质量减轻比例/%CXN3507CXN35069.0214.1119.0163.4374.5912.1053.3381.526号泄漏的作用，对衰减影响较小，但外屏蔽的质量占电缆总质量的比例较高，是轻量化改造的首要目标。CXN3506和CXN3507采用的是常规镀银铜线编织，可以用镀银纤维丝 4、镀银铜包铝进行优化，也可以混合使用，常用编织屏蔽材料的典型特性见表5。表5中采用16 锭编织机，同样外屏蔽材质的电缆按相同外导体尺寸、镀银厚度、编织节距计算。CXN3507CXN350710.30209.4648.083.99660.781.86981.301.83581.612.27677.36CXN35076.6605.4993.3892.464CXN3506CXN3506016.4048.8062.88质量减轻比例/%08.1361.2181.8682.1977.91CXN3507017.4349.1163.002023年第3期No.32023表6不同护套材料的典型特性密度/长期耐温材质射线(gcm)等级/(Co)聚酰亚胺1.41改性聚氨酯(TPU)1.30PE1.10FEP2.12 2.17可溶性聚四氟乙烯2.12 2.17乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）1.70交联乙烯四氟乙烯共聚物（XETFE）1.70聚酰亚胺采用绕包方式生产电缆时，一般须为薄膜形状，可满足绝缘的要求，但作为护套其密闭性差，容易引起内部结构镀银层氧化。ETFE是一种半结晶性、半透明的热塑性树脂，结晶度在5 0%6 0%范围内，ETFE具有密度小、柔软性能佳等性能，同尺寸的护套质量比CXN3506、CXN3507的FEP或PFA护套轻2 0%。单位长度质量/18GHz插人损耗/4 0 GHz插人损耗/电缆状态减重前CXN3506减重后减重前CXN3507减重后3结论本工作对电缆每层结构和材料进行轻量化分析，并确保在宇航器舱内同等驻波、插人损耗、绝缘电阻、耐辐照、低损耗、低释气要求的条件下，给出CXN3506、C X N 35 0 7 最终的减重结构方案为镀银铜包铝中心导体、低密度聚四氟乙烯微孔带绕包介质、镀银铜带绕包外导体、镀银凯夫拉纤维编织屏蔽和ETFE挤出护套。改进后，CXN3506、CX N 35 0 7 的单位长度质量分别降低至1 1.2,2 0.3gm,相对下降30.3%，38.5%；若外导体还采用镀银铜包铝合金带绕包，其单位长度质量可以分别降低至9.2,1 7.1 gm,相对下降4 2.8%,4 8.4%，可大幅度降低因单位电线电缆Wire&CableXETFE是在ETFE的基础上添加了辐照交联耐辐照性剂，将ETFE的线性分子结构改变为网状立体型，XETFE的耐温等级、耐辐射性能均有一定的提升，但其刚度也在增加，使得电缆护套的柔软性变差。300优85良90良200差260差180优200优表7 CXN3506、CX N 35 0 7 轻量化改造前后数据对比表(gm)(dB m-)16.02.8711.22.8633.01.6620.31.662023年6 月Jun.,2023另外，为了使其结构发生变化,加装护套后的电缆必须经过辐照交联，剂量为6 1 5 Mrad，此护套在经受辐照交联的过程中，电缆的PTFE介质很容易受到辐射损伤。经试验PTFE累积受到1 Mrad辐照后，其已经完全脆化，PTFE绕包带的抗拉强度为零，大部分的绝缘性能失效，电缆弯曲时，PTFE会直接开裂，无法使用。对于近地轨道航天器舱内使用的电缆，须能够经受30 Mrad的辐照才能满足使用要求，因此可以采用乙烯-四氟乙烯共聚物作为护套材料。采用的轻量化改造方案为：镀银铜包铝中心导体、低密度聚四氟乙烯微孔带绕包介质、镀银铜带绕包外导体、镀银凯夫拉纤维编织屏蔽和ETFE挤出护套。CXN3506、CX N 35 0 7 轻量化改造前后数据对比见表7。由表7 中可知，轻量化改造后的指标已满足基本性能需求。驻波比绝缘电阻/MQ低释气耐辐照/Mrad(dB m)1.304.401.251.302.511.27长度质量过大而产生的发射成本。参考文献：1张希舜.欧美运载火箭发射成功率及每公斤发射费J.国外空间动态，1 990（1 0）：1 6-1 7.2 万家华，王敏华，钱琳.氟塑料物理发泡绝缘微同轴电缆的研制 J.电线电缆，2 0 0 8（2)：1 6-1 9.3宣维刚.纵孔聚乙烯绝缘挤出模浅析 .光纤与电缆及其应用技术,1 995(1):3-5.4 李亚明，于金旭，齐胜利，等.导电纤维编织宇航轻型屏蔽射频同轴电缆的研制 J.光纤与电缆及其应用技术，2 0 1 7（4)：9-13.5王海丽，黄东巍，任翔，等.热真空释气标准及试验方法研究J.机电元件，2 0 1 3,33(6）：2 5-2 8.+80+80+0+80通过通过通过通过未测量30未测量30更正：本刊2 0 2 3年第1 期第32 页表2 中铝的密度应为2.7 1 0-kgmm3，该数据不影响结果。58